За инженерите по процеси, отговорни за електрическите потопяеми нагреватели в реактори с кожух и автоклави, изискванията за топлинен цикъл на партидната химическа обработка създават уникални условия на умора, които рядко се срещат при непрекъсната работа. Реакторът може да преминава от 20 градуса до 200 градуса и обратно няколко пъти на ден, като скоростите на нагряване се контролират от изискванията на химическата реакция. Дебелината на стената на обвивката от неръждаема стомана 316 променя фундаментално реакцията на напрежение-напрежение към тези цикли. Противно на интуицията, дебела стена от 2,5 mm може да се повреди от пластмасово захващане-прогресивното натрупване на напрежение в една посока с всеки цикъл-докато тънка стена от 1,2 mm остава еластична и оцелява за неопределено време. Тази статия идентифицира специфичната комбинация от честота на термичния цикъл и температурна делта, при която обвивка от 2,5 mm 316 се поврежда преди обвивка от 1,2 mm при обслужване на отопление на реактор с кожух.
Механизмът на пластмасовото захващане в дебело-стенни обвивки
Пластмасово тресчотка възниква, когато даден компонент изпитва цикличен термичен стрес, който надвишава границата на провлачване на материала в една посока, но не и в обратната посока. За дебело{1}}стенна обвивка 316, подложена на бързо нагряване, външната повърхност се разширява повече от вътрешната повърхност, създавайки напрежение на натиск отвън и напрежение на опън отвътре. Ако това напрежение надвишава провлачването, материалът се деформира пластично. По време на охлаждане външната повърхност се свива по-бързо, обръщайки посоката на напрежението. Ако стресът при охлаждане не надвишава добива, материалът не се връща напълно в първоначалното си състояние. С всеки цикъл на нагряване се натрупва малко увеличение на напрежението на опън върху вътрешната повърхност. След хиляди цикли това напрежение на тресчотка може да достигне 5–10%, причинявайки изтъняване и евентуално напукване. За стена с дебелина 1,2 mm градиентът на температурата през стената е много по-малък, така че топлинният стрес остава под провлачването както при нагряване, така и при охлаждане, което води до липса на тресчотка. Критичният параметър е числото на Био-съотношението на вътрешното проводящо съпротивление към външното конвективно съпротивление. За дебели стени в среда с ниска -конвекция, като вискозни реакторни течности, числото на Био надвишава прага за храпово движение.
Количествени прагове за повреда на тресчотка
Анализът с крайни елементи на 316 обвивки в експлоатация на реактор с кожух с естествен конвективен топлопренос (коефициент 200 W/m²·K) установява следните прагове. За стена с дебелина 2,5 mm тресчотката започва, когато температурната делта за цикъл надвиши 120 градуса и скоростта на нагряване надвиши 5 градуса за минута. При делта от 150 градуса и скорост на нагряване от 10 градуса в минута, храповото напрежение за цикъл е приблизително 0,02%. След 10 000 цикъла общото натрупано напрежение достига 2%, причинявайки измеримо изтъняване на стената. След 25 000 цикъла деформацията достига 5%, с видимо напукване. За 1,2 mm стена при същите условия, пиковият термичен стрес е само 120 MPa-много под границата на провлачване от 200 MPa от 316 при 150 градуса -така че не се получава тресчотка. При делта на температурата над 180 градуса, стената от 1,2 mm започва да изпитва тресчотки, но стената от 2,5 mm се проваля при делта от 130 градуса. Следователно критичната делта за инверсия с тресчотка е 120–140 градуса. Под този диапазон нито стенни тресчотки. Над този диапазон стената от 2,5 mm се захваща, докато стената от 1,2 mm остава еластична до много по-висока делта.
Критични прагове на захващане за 316 дебелини на стените на обвивката
Следващата таблица предоставя комбинациите от делта на критичната температура и скоростта на нагряване, при които започва пластичното захващане за различни 316 дебелини на стените на обвивката при обслужване на реактор с кожух. Стойностите предполагат естествена конвекция във вискозна течност (200 W/m²·K) и максимална работна температура от 200 градуса.
| Дебелина на стената на обвивката | Минимална температурна делта за начало на тресчотка | Минимална скорост на нагряване за тресчотка при 150 градуса делта | Разтягане на тресчотка за цикъл при 150 градуса делта, 10 градуса /мин | Цикли до 2% натрупване на напрежение | Цикли до повреда (5% напрежение) |
|---|---|---|---|---|---|
| 0,8 – 1,0 мм | Над 180 градуса | Над 20 градуса/мин | Нито една под 180 градуса | Не е приложимо | Не е приложимо |
| 1,2 – 1,4 мм | Над 170 градуса | Над 15 градуса/мин | Нито една под 170 градуса | Не е приложимо | Не е приложимо |
| 1,6 – 1,8 мм | 150-160 градуса | 12 – 15 градуса /мин | 0.005 – 0.010% | 20,000 – 40,000 | 40,000 – 80,000 |
| 2,0 – 2,2 мм | 130-140 градуса | 8 – 10 градуса /мин | 0.015 – 0.025% | 8,000 – 13,000 | 20,000 – 30,000 |
| 2,5 – 2,8 мм | 120-130 градуса | 5 – 8 градуса /мин | 0.020 – 0.035% | 5,000 – 10,000 | 12,000 – 25,000 |
За периодичен реактор, който преминава от 20 градуса до 200 градуса (делта от 180 градуса) два пъти на ден, броят на годишните цикли е приблизително 730 цикъла. При тази делта обвивка от 2,5 mm ще натрупа 0,025–0,035% напрежение на цикъл, достигайки 2% напрежение след 5000–8000 цикъла, или 7–11 години. Обвивка от 1,2 mm няма да има тресчотки и ще се повреди само от други механизми, като корозия или умора от вибрации. За реактори с по-бързи скорости на нагряване-като тези, използващи циркулация на горещо масло или пара-захващането започва при по-ниски делти. Реактор, който нагрява от 50 градуса до 200 градуса при 20 градуса в минута, създава делта от 150 градуса, но много висок термичен градиент. При тези условия обвивка от 2,5 mm може да се повреди само за 2000 цикъла (3 години при два цикъла на ден), докато обвивка от 1,2 mm остава безопасна.
Модификации на дизайна за предотвратяване на тресчотка
Когато е необходима дебелостенна обвивка 316 за ограничаване на налягането или допускане на корозия при експлоатация на цикличен реактор, три модификации на конструкцията могат да предотвратят пластмасово тресчотка. Първият е да се ограничи скоростта на нагряване. Намаляването на скоростта на нарастване от 10 градуса в минута до 3 градуса в минута намалява преходния термичен градиент с приблизително 60%, поддържайки напреженията под провлачването дори за стена от 2,5 mm. Втората модификация е предварително загряване на реактора до минимална температура в режим на готовност от 80 градуса, вместо охлаждане до околната среда. Намаляването на делтата от 180 градуса на 100 градуса елиминира напълно захващането, независимо от дебелината на стената. Третата модификация е да се определи материал с по-ниско термично разширение и по-висока граница на провлачване при температура. Incoloy 800H има коефициент на топлинно разширение от 14 × 10⁻⁶/градус в сравнение със 17 × 10⁻⁶/градус за 316 и поддържа по-висока якост при 200 градуса. Тази комбинация намалява топлинния стрес с приблизително 25% за същата делта и дебелина на стената. За повечето приложения на периодични реактори, изборът на дебелина на стената от 1,2–1,6 mm избягва напълно захващането, като същевременно осигурява достатъчна механична якост. Инженерите, които автоматично определят дебели стени за "издръжливост" при циклично обслужване, могат по невнимание да изберат дизайн, който се проваля преждевременно от тресчотка. Правилната спецификация изисква анализ на очакваната делта на цикъла и скоростта на нагряване, след което се избира най-тънката стена, която отговаря на изискванията за налягане и корозия. Когато се съмнявате, поискайте анализ на храповия механизъм от производителя на нагревателя, като използвате моделиране с крайни елементи на специфичните условия на цикъла. Доставчик, който не може да предостави този анализ, може да не разбере уникалните механизми за повреда на дебел-стенни обвивки при циклично топлинно обслужване.
